佟 慶佟 昊 郭玥鋒 鄧高峰 王紫瓊

1．清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

2．中國建筑科學(xué)研究院有限公司

3．北京航空航天大學(xué)蘇州創(chuàng)新研究院

0 概述

隨著華北地區(qū)控制大氣污染、推進(jìn)農(nóng)村地區(qū)清潔采暖行動的深入進(jìn)行[1]，河北、山西等地區(qū)出現(xiàn)了利用甲醇作為燃料的新采暖方式[2]，作為“煤改電”“煤改天然氣”之外的一項(xiàng)新嘗試。

由于甲醇不是自然界中天然存在的能源資源，而是需要通過煤或天然氣等化石能源進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)制備[3]，若要客觀公正地評價(jià)甲醇采暖的碳排放問題，不能僅著眼于甲醇在采暖爐中燃燒階段，還要考慮以能源為原料的甲醇生產(chǎn)階段所導(dǎo)致的排放。本文所定義的甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度是其生產(chǎn)階段的碳排放強(qiáng)度與作為燃料進(jìn)入采暖階段的碳排放強(qiáng)度之和，測算不同原料路線的甲醇采暖綜合碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的燃煤采暖方式進(jìn)行對比，分析甲醇采暖的碳排放問題。

目前主流的甲醇生產(chǎn)工藝包括煤制甲醇、天然氣制甲醇和焦?fàn)t氣制甲醇[4]。三種甲醇制備路線的核心工藝相似，首先將原料經(jīng)處理制成合成氣，再經(jīng)催化劑催化合成粗甲醇，之后將粗甲醇進(jìn)行精餾獲取成品甲醇。我國是燃煤儲量大國，甲醇生產(chǎn)工藝以煤制甲醇為主，而在國外大部分甲醇都以天然氣為原料制備，以煤為原料的甲醇生產(chǎn)占比很少[5]，煤制甲醇和焦?fàn)t氣制甲醇的主要流程見圖1。

煤制甲醇的步驟有煤氣化、凈化、甲醇合成、精餾等[6]。首先將煤通過煤氣發(fā)生爐，用蒸汽和氧氣熱加工后獲得粗煤氣。經(jīng)過變換工序調(diào)節(jié)粗煤氣的碳?xì)浔取＝?jīng)凈化后，變換氣中H2S、CO2等氣體被脫除，即為甲醇合成氣。經(jīng)脫硫脫碳凈化后的合成氣與甲醇合成循環(huán)氣混合，經(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入合成工序。CO、CO2和H2在催化劑作用下，合成粗甲醇。粗甲醇精餾提純?nèi)コ渌s質(zhì)后即為成品甲醇。焦?fàn)t氣制甲醇與煤制甲醇類似。焦?fàn)t氣制甲醇原料合成氣是煉焦過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t氣。這種合成氣含有氫氣、甲烷、一氧化碳以及其他化學(xué)物質(zhì)。煉焦產(chǎn)生的焦?fàn)t氣進(jìn)入氣柜，經(jīng)壓縮后進(jìn)行精脫硫處理，之后在高溫的作用下被轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣，然后經(jīng)過壓縮參與甲醇合成[7]。

圖1 煤制甲醇、焦?fàn)t氣制甲醇主要流程圖

天然氣制甲醇主要流程見圖2。天然氣大部分由甲烷構(gòu)成，另外少量含有其他烷烯烴和氮?dú)?。目前天然氣制甲醇的方法主要有蒸汽催化轉(zhuǎn)化、部分氧化轉(zhuǎn)化和熱交換轉(zhuǎn)化三種[8]。其中以蒸汽轉(zhuǎn)化法（SMR）應(yīng)用最廣[9]。傳統(tǒng)一段轉(zhuǎn)化工藝通過蒸汽重整一步生產(chǎn)傳統(tǒng)合成氣。其主要步驟包括凈化、催化轉(zhuǎn)化、熱回收、氣液分離四部分。天然氣先經(jīng)脫硫裝置脫硫凈化后，經(jīng)換熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，并在催化劑作用下反應(yīng)生成CO、H2等氣體。反應(yīng)后的轉(zhuǎn)化氣熱量回收后，通過調(diào)節(jié)達(dá)到適宜碳?xì)浔冗M(jìn)入甲醇合成工段[10]。

圖2 天然氣制甲醇主要流程圖

1 研究方法與數(shù)據(jù)獲取

1.1 基準(zhǔn)線采暖方式的碳排放強(qiáng)度

華北農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)的采暖方式是燃煤供熱。由于目前我國沒有發(fā)布專門的農(nóng)村燃煤采暖的碳排放數(shù)據(jù)，因此采用相關(guān)文獻(xiàn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中公布的燃煤供熱平均碳排放強(qiáng)度 0．11 tCO2/GJ[11，12]，作為基準(zhǔn)線碳排放強(qiáng)度。

1.2 甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度

甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度是其生產(chǎn)階段的碳排放強(qiáng)度與作為燃料進(jìn)入采暖階段的碳排放強(qiáng)度之和，按公式（1）計(jì)算。

式（1）中：

EI是甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度（t CO2/GJ）；

EIm是甲醇生產(chǎn)階段的碳排放強(qiáng)度（t CO2/GJ）；

EIh是甲醇采暖階段的碳排放強(qiáng)度（t CO2/GJ）；

EFm是甲醇生產(chǎn)階段的單位產(chǎn)品碳排放（tCO2/t甲醇），不同原料路線的EFm數(shù)據(jù)來源為《甲醇單位產(chǎn)品碳排放限額國家標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》[13]，詳見表1。

表1 甲醇生產(chǎn)階段的單位產(chǎn)品碳排放

EFh是甲醇采暖階段的單位產(chǎn)品碳排放（t CO2/t甲醇），按照公式（2）計(jì)算；

NCV是甲醇的低位發(fā)熱量（GJ/t甲醇），取鍋爐甲醇燃料低位發(fā)熱量24（GJ/t甲醇）[14]。

按照公式（2）計(jì)算EFh。

式中：

EFh—甲醇采暖階段的單位產(chǎn)品碳排放（t CO2/t甲醇）；

C—純甲醇的含碳量，取值為0．375[15]；

44/12—CO2與碳的分子量之比；

P—燃料中的甲醇含量，取鍋爐甲醇燃料平均值85%[14]；

η—甲醇采暖爐的燃燒效率，取95%[16]。

根據(jù)公式（2）計(jì)算得到EFh=1．110

2 結(jié)果討論

甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度見圖3。

計(jì)算結(jié)果顯示，不同原料路線、不同排放標(biāo)準(zhǔn)的甲醇生產(chǎn)企業(yè)提供的甲醇燃料，碳排放強(qiáng)度存在差別，主要原因?yàn)椋?）以煤為原料制取甲醇需要先將其煤氣化，此過程會產(chǎn)生CO2并且增加能耗，而天然氣和來源于煉焦過程的再利用焦?fàn)t氣不需要專門氣化，與煤制甲醇相比可節(jié)約能源。2）煤制甲醇生產(chǎn)中CO變換環(huán)節(jié)也會造成CO2排放量的增加，使其總體碳排放高于其他兩種生產(chǎn)方式。3）近年來甲醇生產(chǎn)工藝不斷進(jìn)步，新建的甲醇企業(yè)和達(dá)到先進(jìn)值的甲醇生產(chǎn)企業(yè)不再使用落后的老舊鍋爐，碳排放強(qiáng)度顯著下降，另外生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量也被循環(huán)利用，例如產(chǎn)生的蒸汽可被用來驅(qū)動壓縮機(jī)等用途，綜合利用熱能。4）利用新型甲醇合成設(shè)備、采用氫回收等節(jié)能技術(shù)也會大大降低系統(tǒng)能耗，以達(dá)到碳排放強(qiáng)度降低的效果。

圖3 甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度

由圖3可知，按照目前的甲醇生產(chǎn)單位產(chǎn)品碳排放標(biāo)準(zhǔn)，僅2019年以后新建的天然氣制甲醇企業(yè)、達(dá)到單位產(chǎn)品碳排放先進(jìn)值的天然氣制甲醇企業(yè)以及達(dá)到單位產(chǎn)品碳排放先進(jìn)值的焦?fàn)t氣制甲醇企業(yè)所生產(chǎn)的甲醇燃料，甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度才明顯低于基準(zhǔn)線（燃煤供熱）水平。即：目前只有采用以上三種原料路線的甲醇采暖才屬于低碳的采暖方式。

此外，2019年以后新建的焦?fàn)t氣制甲醇企業(yè)所生產(chǎn)的甲醇燃料，甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度剛好等于基準(zhǔn)線水平；達(dá)到單位產(chǎn)品碳排放先進(jìn)值的煙煤制甲醇企業(yè)、現(xiàn)有的天然氣制甲醇企業(yè)所生產(chǎn)的甲醇燃料，甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)線水平。采用這三種原料路線的甲醇生產(chǎn)企業(yè)，如果采取一些節(jié)能減碳的技術(shù)改造，有望實(shí)現(xiàn)甲醇采暖的綜合碳排放強(qiáng)度低于基準(zhǔn)線水平。

3 結(jié)論

山西等地區(qū)具有迫切的清潔能源替煤采暖需求，但在一些處于山區(qū)的農(nóng)村地區(qū)，受到天然氣管網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)改造等資源和技術(shù)條件的嚴(yán)重制約，因此進(jìn)行了一些利用甲醇采暖的探索，可以在中近期以保證甲醇燃料供應(yīng)和儲運(yùn)、使用全流程安全性為前提，作為一種試點(diǎn)、過渡和技術(shù)儲備措施。如果其甲醇來源為技術(shù)水平先進(jìn)的氣體能源制甲醇原料路線，可以在農(nóng)村無煤化發(fā)展的過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。

在我國政府提出的2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)下，從長遠(yuǎn)來看，需要關(guān)注甲醇采暖的試點(diǎn)運(yùn)行情況，未來僅保證甲醇燃料的充足供應(yīng)和儲運(yùn)、使用安全是不夠的，而是要百分之百地選擇來自低碳原料路線的甲醇燃料。此外，在遠(yuǎn)期具備條件時(shí)，還可嘗試推廣使用分布式的氫能采暖等突破性的零碳技術(shù)。